基于OpenFOAM框架的分子動力學負載均衡關鍵技術研究.pdf

1、分子動力學模擬作為一種計算機模擬方法，已廣泛應用于物理、化學、生命科學、材料學以及醫(yī)藥等領域。并且，隨著人類對科學探索的深入，使用高性能計算機進行大規(guī)模分子動力學模擬已成為必然趨勢。然而，高性能計算機在帶來強大計算能力的同時也遇到了各方面的挑戰(zhàn)，如負載均衡、通信、可靠性、功耗等問題，其中負載均衡問題帶來的性能損失尤其突出。為了解決該問題，本文提出了面向并行分子動力學模擬的靜動態(tài)負載均衡方法，并基于OpenFOAM框架實現(xiàn)。本文的主要工作

2、和創(chuàng)新點包括以下幾個方面：
　　?建立了基于OpenFOAM的分子動力學負載均衡框架（第二章）
　　本文深入分析了OpenFOAM并行程序框架及其分子動力學的實現(xiàn)方法，發(fā)現(xiàn)負載不均衡會嚴重影響分子動力學的模擬效率。針對該問題，在原有OpenFOAM框架的基礎上建立了靜動態(tài)負載均衡機制和相應的數(shù)據(jù)組織、計算流程、框架組成以及與其他模塊的結合方法。本文提出的面向分子動力學模擬的負載均衡框架對其他粒子方法負載均衡機制的設計具有借鑒

3、意義。
　　?提出了面向并行分子動力學模擬的靜態(tài)負載均衡方法——MDSLB（第三章）
　　本文提出了一種面向大規(guī)模分子動力學模擬的靜態(tài)負載均衡方法——MDSLB。通過對分子動力學中短程力計算特征的深入分析，我們將短程力進一步細分為三類力模型，每類力模型中涉及的計算任務又被拆分為多個細粒度的獨立計算單元，稱為“cell負載”。這些計算單元為MDSLB方法的實現(xiàn)提供了基本的數(shù)據(jù)結構。在MDSLB方法中，模擬區(qū)域被分為多個子區(qū)域，

4、稱為“局部空間”。每個局部空間中的cell負載被均勻地分配給各個處理器。該方法通過在程序開始時執(zhí)行一次，從而保證整個模擬過程中負載的均衡。
　　?提出了面向并行分子動力學模擬的動態(tài)負載均衡方法——MDDLB（第四章）
　　本文針對小規(guī)模分子動力學模擬提出了動態(tài)負載均衡方法——MDDLB。該方法基于OpenFOAM的cell結構，設計了負載遷移的基本單元——近鄰粒子列表。另外，還引入了閾值檢測機制負責監(jiān)控和衡量每個處理器的負載

5、情況。當負載不均衡的程度超過一定值時，則從負載較重的處理器將負載動態(tài)遷移到負載較輕的處理器上。基于該方法，可以有效解決小規(guī)模分子動力學模擬中的負載均衡問題。
　　?驗證了負載均衡框架及MDSLB方法和MDDLB方法的正確性和有效性（第五章）
　　本文基于OpenFOAM設計實現(xiàn)了第二章所提出的分子動力學負載均衡框架，并基于該框架分別實現(xiàn)了第三、四章提出的MDSLB方法和MDDLB方法。基于TianHe-1A子系統(tǒng)使用擴散模型